淺談高速鐵路牽引供電方式

婁劉娟

摘 要：該研究主要從減小對通信線路電磁干擾的角度出發，對單相工頻25kV牽引網的五種供電方式直接供電方式（TR）、帶回流線的直接供電方式（TRNF）、BT（吸流變壓器）供電方式、AT（自耦變壓器）供電方式和CC供電方式的工作原理及存在的主要問題進行分析比較，其中直接供電方式因其對通信線路產生的電磁干擾較大，這種供電方式現今用的很少；帶回流線的直接供電方式的鋼軌電位降低、牽引網阻抗降低，供電距離增長，對弱電系統的電磁干擾減小，目前這種供電方式備受青睞；BT供電方式結構復雜，存在著“半段效應”，影響列車的速度，目前我國高鐵幾乎不采用此種供電方式；AT供電方式的綜合性能較好，我國高鐵很多線路都采用AT供電方式；CC供電方式因成本較高，目前用的較少。

關鍵詞：牽引網 直接供電方式 BT供電方式 AT供電方式 CC供電方式

中圖分類號：TM922.0 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）07（c）-0037-02

近年來，鐵路特別是高鐵在我國取得了飛速的發展，目前我國已投運高速鐵路以達到11 132 km，但是對牽引供電性能的要求也越來越高，因此牽引供電方式的選擇在每條線路設計的過程中都需要慎重考慮，因此本文針對牽引網的結構的不同，從減少牽引網對鄰近通信線路的干擾，降低牽引網的電壓損失和電能損失，提高電氣化鐵路效益的角度出發，對目前國內外牽引供電系統的供電方式進行對比總結。目前單相工頻25 kV牽引網供電方式主要有直接供電方式（TR）、帶回流線的直接供電方式（TRNF）、BT（吸流變壓器）供電方式、AT（自耦變壓器）供電方式和CC供電方式[1]，每一種供電方式各有其優越性和不足之處，本文主要中各種供電方式的工作原理，優缺點以及主要應用場合進行分析。

1 直接供電方式

直接供電方式是在牽引網中不加特殊防護措施的一種供電方式。電氣化鐵路最早大都采用這種供電方式，如圖1所示。

這種供電方式結構最為簡單，投資最省，牽引網阻抗較小，能耗也較低。直接供電方式的供電距離在單線區段一般為30 km左右。電氣化鐵路是單相負荷，機車由接觸網取得的電流經鋼軌流回至變電所。由于鋼軌和大地不是絕緣的，一部分回流電流經鋼軌流入大地，因此對通信線路產生電磁感應影響較大，這是這種供電方式的缺點。直接供電方式一般在鐵路沿線無架空通信線路或通信線路已改用地下屏蔽電纜的區段采用[2]。

2 帶回流線的直接供電方式

為了克服直接供電方式的缺點，在接觸線平行位置增加金屬回流線，并隔一定距離設置連接導線將回流線與鋼軌并聯，這種供電方式就是帶回流線的直接供電方式， 如圖2所示。

帶回流線的直接供電方式，牽引電流大部分通過鋼軌和大地流回牽引變電所，一小部分通過回流線流回牽引變電所。因接觸網中的電流和回流線中的電流方向相反，且接觸線和回流線距離較近，兩者形成的磁場相互抵消。

3 BT供電方式

3.1 BT供電方式的工作原理

BT（Boost Transformer）因其對結構復雜，且對列車速度有影響，目前已經基本不采用。如圖3所示。

圖中，牽引網每隔一段距離在牽引網的接觸導線和回流線接入變壓比為1：1的吸流變壓器BT[2]，其原邊串入接觸網中的絕緣錨段關節處，次邊串入回流線，在兩個吸流變壓器的中間通過吸上線將鋼軌中的牽引電流吸入回流線中。因而，接觸網中的電流和回流線中的電流因大小幾乎相等，方向相反從而極大地減弱了對牽引網附近通信線路的干擾。

3.2 BT供電方式存在的主要問題

BT供電方式存在著在機車所處的BT間隔內在一定范圍內失去吸流防護效果的現象，即：“半段效應”，在該BT段內接觸網與回流線中的電流并不相等，防干擾效果不理想，而在其余BT段內兩者的電流大小相等，方向相反，防干擾效果較好[2]。

但是，因BT變壓器自身阻抗較大，且安裝密度較大，故此種供電方式引起的電壓損失和電能損失較大，且每3～4 km在接觸網內存在斷口，斷口一方面會影響列車速度，另一方面斷口兩端存在電壓差，機車通過該斷口時可能會產生電火花，使接觸網壽命縮短[1]。

4 AT供電方式

AT供電方式是在牽引網中并聯自耦變壓器的一種牽引供電方式，它是目前備受國內外很多國家親睞的一種供電方式。

4.1 AT供電方式工作原理

AT供方式原理如圖4所示，AT表示變比為2：1的自耦變壓器，牽引網接觸線C和正饋線F接在自耦變壓器原邊，原邊兩端的電壓為55 kV，而鋼軌與自耦變壓器的中點相連，接觸網和鋼軌間的電壓為27.5 kV。由于原邊電壓提高了一倍，在相同的牽引功率下牽引網上電流減小，電壓損失、功率損失均較小[2]。

4.2 AT供電方式對通信線路抗干擾原理

首先假設自耦變壓器阻抗為零，AT的原繞組n1與n2串聯接于電源，n2連接負載，如下圖5所示，當電力機車處于兩臺AT之間（AT段）時，設牽引電流為，對段內同時

有AT3、AT4的副繞組供電，其值分別為、（與機車和AT3、AT4的距離成反比例分配），兩電流同時流經鋼軌—地回路，并有部分流入大地，均在AT3、AT4的原邊繞組n1感應電流的作用下，被吸流流至正饋線F。此時段內兩臺AT中每臺的串聯繞組n1與n2中的負荷電路總是大小相等，方向相反，其所產生的磁通相互抵消[3]。

4.3 AT供電方式的主要技術特性

（1）牽引網的電壓損失和功率損失大大降低。

（2）牽引變電所的間隔增大，但變電所主變壓器副邊繞組和相應的開關設備絕緣水平相應提高。

（3）與BT相比對通信線防干擾特性和效果較好，且接觸導線不需段口，有利于列車高速運行。

總之，采用AT供電方式時目前在高速重載高速電氣化區段AT供電方式有較大的適用性，也可按不同地區采用AT方式和帶回流線的直接供電方式相結合的綜合供電方式。

5 CC供電方式

CC供電方式是一種新型的供電方式，其內芯線作為饋電線與接觸網并聯連接，外部導體作為回流線與鋼軌并聯連接。每隔5～10 km作一個分段，如圖6所示，因電纜芯線與外部導體電流相等，方向相反，二者形成磁場相互抵消，對鄰近通信線路幾乎無干擾。由于阻抗小，因而供電距離長。但由于同軸電力電纜造價高，投資大，現僅在一些特變困難的區段采用[3]。

6 結語

目前，直接供電方式因其對通信線路的干擾較大而幾乎不采用，BT電方式因其自身的缺陷在我國幾乎不再采用，帶回流線的直接供電方式在我國用的較多，但是主要用在非高速鐵路區段，目前在高速重載的電氣化區段主要采用AT供電方式[4]，CC供電方式因成本問題用的也較少。

參考文獻

[1] 王勛.電氣化鐵道概論[M].北京：中國鐵道出版，2011：72-76.

[2] 楊中平，吳命利.軌道交通電氣化概論[M].北京：中國鐵道出版社，2013：50-52.

[3] 高健，王桂軒，周升偉，等.淺談電氣化鐵道牽引供電方式的應用[J].科技視界，2014（33）：114.

[4] 錢清泉，高仕斌，何正友，等.中國高速鐵路牽引供電關鍵技術[J].中國工程科學，2015，17（4）：9-20.